基于數據挖掘技術的沈陽地區(qū)分布式光伏實際發(fā)電效率研究

王明睿 王明馨 任佳星

摘? 要：文章通過對沈陽地區(qū)已并網運行的不同裝機容量分布式光伏發(fā)電數據進行數據分析，得出該地區(qū)分布式光伏發(fā)電單位裝機容量在一個年度中各月份，以及重點月份中每天，與各時段的實際發(fā)電效率變化規(guī)律和特點。進而分析出該地區(qū)分布式光伏發(fā)電項目單位裝機容量的實際最大發(fā)電效率。文章研究結果可為光伏發(fā)電技術經濟分析及商業(yè)化運營決策提供依據，對促進碳中和背景下分布式光伏產業(yè)發(fā)展提供參考價值。

關鍵詞：分布式;光伏;發(fā)電效率研究

中圖分類號：TM615;TP311.13? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）16-0049-07

Research on Actual Efficiency of Distributed Photovoltaic Power Generation in Shenyang Based on Data Mining Technology

WANG Mingrui1， WANG Mingxin2， REN Jiaxing3

（1.College of Science， Northeast Electric Power University， Jilin? 132012， China; 2.Water Conservancy College， Shenyang Agricultural University， Shenyang? 110866， China; 3.College of Information and Electrical Engineering， Shenyang Agricultural University， Shenyang? 110866， China）

Abstract： By analyzing the data of? grid-connected distributed photovoltaic power generation with different installed capacity in Shenyang， this paper obtains the change rules and characteristics of the actual power generation efficiency of unit installed capacity of distributed photovoltaic power generation in the area in each month of the year and each day in key months and each period.. The actual maximum power generation efficiency per unit installed capacity of distributed photovoltaic power generation projects in this region is analyzed. The research results of this paper can provide a basis for technical and economic analysis and commercial operation decision-making of photovoltaic power generation， and provide reference value for promoting the development of distributed photovoltaic industry under the background of carbon neutralization.

Keywords： distributed; photovoltaic; research on power generation efficiency

0? 引? 言

分布式光伏發(fā)電通常是指在用戶場地附近建設，運行方式以用戶側自發(fā)自用為主，多余電量上網，并以配電系統(tǒng)平衡調節(jié)為特征的光伏發(fā)電設施，其具有因地制宜、清潔高效、分散布局、就近利用的特點。其利用半導體界面的光生伏特效應，將光能直接轉變?yōu)殡娔艿囊环N技術。這種技術的關鍵元件是太陽能電池，光纖照射在太陽能電池上被界面層吸收，界面層吸收的光能越多，在太陽能電池中形成的電流就越大。影響光伏發(fā)電量的因素包含太陽輻射量、電池組的傾斜角度、電池組件轉化效率、組合損失、灰塵遮擋、溫度特性、線路變壓器損失、逆變器效率、陰影積雪遮擋等多種因素，這些因素在光伏發(fā)電站建設安裝和運行維護過程中已經得到了廣泛關注。本文將從沈陽地區(qū)已經投入使用的分布式光伏發(fā)電站的運行情況入手，通過分析其2020年實際發(fā)電數據，對沈陽地區(qū)分布式光伏發(fā)電站的實際發(fā)電情況進行分析。

1? 數據獲取

1.1? 數據來源

沈陽地區(qū)所有分布式光伏發(fā)電站，無論其消納方式是全部自用、全額上網還是自發(fā)自用余電上網，均在國網遼寧省電力有限公司營銷管理信息系統(tǒng)中設立了發(fā)電檔案;并在用電信息采集系統(tǒng)中，全部實時自動采集發(fā)電量數據，本文中的研究數據均來自于上述兩個系統(tǒng)。

1.2? 數據獲取方式

分布式光伏發(fā)電站裝機容量及年度、月度發(fā)電量數據，均可從國網遼寧省電力有限公司營銷管理信息系統(tǒng)中的發(fā)電檔案信息及電量電費核算功能模塊中獲取，通過SQL語句對其進行篩查和匯總統(tǒng)計，并從發(fā)電站所屬行政區(qū)域、并網電壓、發(fā)電主體類型這三個維度對數據進行呈現。對于日、小時發(fā)電數據，通過隨機抽取小量樣本的方式，選取典型月、典型日，在國網遼寧省電力有限公司用電信息采集系統(tǒng)中逐戶選取樣本的日、小時發(fā)電數據。

1.3? 數據的精度

2020年1月至12月，以月度為周期獲取發(fā)電容量數據可得到以下信息：沈陽地區(qū)分布式光伏發(fā)電容量凈增13 322.75 kW，年凈增率為7.44%。因分布式光伏發(fā)電站運行調試時間較短，未考慮新增發(fā)電站的調試運行對發(fā)電量所產生的影響。本文所應用的數據全部為發(fā)電站現場實際運行過程中產生的真實數據，未經過人工修正。

1.4? 數據基本情況

沈陽地區(qū)分布式光伏發(fā)電站自2014年開始建設，并受國家補貼政策影響（0.42元/0.37元/0.18元/0.08元/度），在2017年至2018年進入快速發(fā)展階段，目前隨著國家補貼政策的縮減，建設步伐逐漸趨緩。截止到2020年底，沈陽地區(qū)現有分布式光伏發(fā)電站1 298個，發(fā)電裝機容量192 372.5 kW，2020年發(fā)電量180 640 000 kWh。其中發(fā)電量消納方式為全部自用的光伏發(fā)電站3個，全額上網光伏發(fā)電站145個，自發(fā)自用余電上網的光伏發(fā)電站1 150個。

2? 實際發(fā)電效率分析

2.1? 年度發(fā)電效率

2.1.1? 年平均發(fā)電率

沈陽地區(qū)2020年分布式光伏發(fā)電站年均發(fā)電容量為181 356.6 kW，年發(fā)電量為180 640 000 kWh，每kW裝機容量年度平均發(fā)電量為996.05 kWh。

2.1.2? 10 kV并網分布式光伏電站年發(fā)電效率

沈陽地區(qū)10 kV并網分布式光伏發(fā)電站現有11個，2020年全年無增減，發(fā)電容量為126 842.4kW，年發(fā)電量126 390 000 kWh，單位容量年發(fā)電量996.43 kWh。對全部11個10 kV并網光伏發(fā)電站的2020年單位容量年發(fā)電量情況進行數據整理，具體情況如表1所示。

從表1可以看出，2020年沈陽地區(qū)10 kV并網光伏電站單位容量年發(fā)電量最多的是沈陽市轄南電能源科技（寶馬），為1 144.74 kWh，發(fā)電量最少的是沈陽市轄拓源北重新能源有限公司，為843 kWh。去掉表1中2個數據值最高、2個數據值最低的發(fā)電站后，剩余7個光伏電站的單位容量年平均發(fā)電量為1 031.57 kWh。

2.1.3? 低壓并網光伏電站年發(fā)電效率

沈陽地區(qū)低壓并網光伏發(fā)電站現有1 287個（其中2020年新增202個），發(fā)電容量54 514.2 kW，占比為30.06%;年發(fā)電量54 250 000 kWh，占比為30.03%，單位容量年發(fā)電量995.15 kWh。將沈陽地區(qū)低壓并網光伏電站按市區(qū)、8個郊縣的區(qū)域進行劃分并進行數據處理，整理所得的不同區(qū)域低壓并網的光伏電站年發(fā)電情況如表2所示。

從表2中可以看出，2020年沈陽地區(qū)低壓并網的光伏發(fā)電站發(fā)電量最高的區(qū)域是康平區(qū)域，為1 317.08 kWh，發(fā)電量最低的區(qū)域是沈北區(qū)域，為571.62 kWh。去掉沈北、于洪兩個發(fā)電量最低的樣本，康平、遼中2個發(fā)電量最高的樣本，剩余5個樣本的單位容量年發(fā)電量為1 064.36 kWh。

2.1.4? 年度發(fā)電效率分析結論

沈陽地區(qū)全樣本數據的2020年光伏發(fā)電站單位容量年度發(fā)電量為996.05 kWh，其中10 kV并網光伏發(fā)電站單位容量年度發(fā)電量為996.43 kWh，低壓并網光伏電站每kW年度發(fā)電量為995.15 kWh?？鄢龢O值樣本后，10 kV并網光伏發(fā)電站單位容量年度發(fā)電量為1 031.57 kWh，低壓并網光伏電站單位容量年度發(fā)電量為1 064.36 kWh。電壓等級和單個電廠裝機規(guī)模對同一年度、同一地區(qū)的單位容量光伏發(fā)電量影響不大。

2.2? 月發(fā)電效率

2.2.1? 研究數據范圍

取沈陽地區(qū)所有分布式光伏發(fā)電站去除在年度發(fā)電量研究中發(fā)現的最高和最低的極值樣本后的數據進行月度發(fā)電效率研究。

2.2.2? 10 kV并網的光伏發(fā)電站月度實際發(fā)電效率

將沈陽地區(qū)11個10 kV并網光伏發(fā)電站的數據去掉2個最高、2個最低年度發(fā)電極值后，對剩余的7個發(fā)電站的月度發(fā)電情況進行數據分析，其單位容量月度發(fā)電量情況如表3所示。

從表3可以看出，2020年6月份為發(fā)電量最多的月份，單位容量發(fā)電量為131.23 kWh，1月份為發(fā)電量最少的月份，單位容量發(fā)電量為39.22 kWh。

2.2.3? 低壓并網的光伏電站月度實際發(fā)電效率

將沈陽地區(qū)市區(qū)及8個郊縣的低壓并網光伏發(fā)電站的數據去掉2個最高、2個最低年度發(fā)電極值后，對剩余的5個區(qū)發(fā)電站的月度發(fā)電情況進行數據分析，其單位容量月度發(fā)電量情況如表4所示。

從表4可以看出，2020年6月份為發(fā)電量最多的月份，單位容量發(fā)電量為133.42 kWh，12月份為發(fā)電量最少的月份，單位容量發(fā)電量為41.57 kWh。

2.2.4? 月度實際發(fā)電效率分析結論

參照表3、表4中的數據繪制出月度變化折線圖，如圖1所示。

由圖1可知：

（1）單位容量月度發(fā)電量變化明顯，其中，5月、6月、7月為發(fā)電高峰月，3月、4月、8月、9月、10月為發(fā)電中檔月，1月、2月、11月、12月為發(fā)電低谷月。

（2）發(fā)電高峰月與發(fā)電低谷月之間的發(fā)電效率差異較大。發(fā)電高峰的5月、6月、7月發(fā)電量占全年發(fā)電總量的35%;發(fā)電低谷的1月、2月、3月發(fā)電量占全年發(fā)電總量的19.61%。

（3）10 kV并網光伏發(fā)電站的單位容量月度發(fā)電量與低壓并網光伏發(fā)電站的月度發(fā)電量的變化趨勢基本一致。

2.3? ?日發(fā)電效率

2.3.1? 研究數據選擇

因需要選取每日發(fā)電量數據，故數據量較多，因此采用隨機選取少量樣本的方式進行日發(fā)電效率的研究。在沈陽市現有的1 298個分布式光伏發(fā)電站中隨機選取不同發(fā)電容量的 10 kV并網光伏發(fā)電站與低壓并網光伏發(fā)電站各7座。

2.3.2? 日實際發(fā)電效率

在國網遼寧省電力有限公司用電信息采集系統(tǒng)中，將上述14個樣本的6月份每日發(fā)電量數據采集出來，詳細情況見如表5所示。

將表5數據用折線圖的方式表示，如圖2所示。

圖2? 14個樣本2020年6月份單位容量日發(fā)電量圖

觀察圖2可得到以下信息：14個樣本日均單位裝機容量發(fā)電量最大值出現在6月14日（晴，氣溫17～28度，西風3級），最大值為13號樣本（法庫縣王仁）7.41 kWh，最小值為1號樣本（沈陽拓源北重新能源有限公司）4.46 kWh，均值為5.69 kWh;14個樣本日均單位裝機容量發(fā)電量最小值出現在6月24日（小雨轉多云，氣溫17～22度，東南風2級），該日樣本發(fā)電量為0.31～2.17 kWh，均值為1.45 kWh。樣本8在16日—27日、樣本11在5日系統(tǒng)運行狀況明顯異常，可初步判斷為該樣本在當日出現了故障。

2.3.3? 日發(fā)電效率分析結論

每個光伏發(fā)電站的建設和運行情況對其日發(fā)電量都有一定的影響。在沈陽地區(qū)發(fā)電效率最好的6月份，隨機樣本的單位容量日發(fā)電量最大值出現在14日，當日樣本13的日發(fā)電量為7.41 kWh，樣本1的日發(fā)電量為4.46 kWh，均值為5.69 kWh。同等氣候條件下，各樣本間差異明顯。光照條件對光伏發(fā)電量的變化產生較大的影響。同一樣本在同一月份的單位容量發(fā)電量差異較大，如樣本1日發(fā)電量在0.31～4.46之間，樣本13日發(fā)電量在2.00～7.41之間。通過觀察發(fā)電量數據可知，14個樣本在2020年6月運行的30日內，其中有2個樣本發(fā)生了明顯的運行故障，故障天數共計23天。在實際運行過程中，分布式光伏電站存在一定的故障率，因此故障排除時效直接影響著電站的發(fā)電效率。

2.4? 小時發(fā)電量效率

2.4.1? 研究樣本選擇

在上述研究日電量選取的14個樣本中，繼續(xù)向下挖掘6月14日單位容量每小時發(fā)電量數據，因樣本12、樣本14召測小時發(fā)電量數據未成功，因此選取剩余的12個樣本進行小時實際發(fā)電效率研究。具體數據見表6，繪制折線圖如圖3所示。

2.4.2? 小時發(fā)電效率研究總結

由上文分析可知：

（1）沈陽地區(qū)6月14日，可發(fā)電時間為5—20時，其中5時有發(fā)電量的樣本為9個，占比75%;20時有發(fā)電量的樣本為4個，占比33%。

（2）7—17時是比較有效的發(fā)電時段，這期間的發(fā)電量是全天總發(fā)電量的96%

（3）發(fā)電量最多的時段為11—13時，這3個小時的發(fā)電量占全天總發(fā)電量的35%。其中單位容量小時平均發(fā)電量最大值為0.684 kWh，樣本13達到了0.946 kWh。

3? 結? 論

本文通過深入調研，利用遼寧省電力有限公司用電信息采集系統(tǒng)，對沈陽地區(qū)2020年已并網運行的1 298座不同裝機容量的分布式光伏發(fā)電站實際運行數據進行挖掘與分析，得出了沈陽地區(qū)分布式光伏發(fā)電站在實際運行條件下的單位容量年發(fā)電量、月度發(fā)電變化趨勢以及最好光照條件下的小時最大發(fā)電量。研究結果可以為光伏發(fā)電技術經濟分析及商業(yè)化運營提供依據，對促進碳中和背景下分布式光伏產業(yè)發(fā)展具有實際參考價值。

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作者簡介：王明睿（2001.12—）男，漢族，遼寧沈陽人，本科在讀，研究方向：電力系統(tǒng)自動化、大數據分析;王明馨（2001.02—）女，漢族，遼寧沈陽人，本科在讀，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化、人工智能、大數據分析技術;任佳星（2001.01—）女，滿族，遼寧鐵嶺人，本科在讀，研究方向：電力系統(tǒng)自動化、大數據分析。